(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時に純水系のエアを的確に排除して、燃料電池に悪影響を与えないようにする。【解決手段】燃料電池１に純水を純水ポンプ５を介して循環する循環経路３、４を有しており、燃料電池システムの停止時には、空気圧を導入して、燃料電池１内の純水、並びに循環経路３、４内の純水、並びに循環経路３、４の構成部品内の純水を、純水タンク２に回収する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転状態に応じて循環する純水の流量を制御する循環水量制御手段２０を備える。循環水量制御手段２０は、燃料電池システムの起動時には、純水の流量をアイドル運転時の純水の流量よりも増量制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に純水を純水ポンプを介して循環する循環経路を有しており、
燃料電池システムの停止時には、空気圧を導入して、燃料電池内の純水、並びに循環経路内の純水、並びに循環経路の構成部品内の純水を、純水タンクに回収する燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの運転状態に応じて循環する純水の流量を制御する循環水量制御手段を備え、
該循環水量制御手段は、燃料電池システムの起動時には、純水の流量をアイドル運転時の純水の流量よりも増量制御することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記循環水量制御手段は、燃料電池システムの起動時に、前記増量制御を開始した後、所定時間経過したときにアイドル運転時の流量に戻すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
燃料電池出口の純水の圧力を検出する圧力センサを設け、
前記循環水量制御手段は、燃料電池システムの起動時に、前記増量制御を開始した後、圧力センサの検出圧に基づいてアイドル運転時の流量に戻すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記増量制御は、最初の一定時間は増量幅を大きくし、その後は増量幅を小さくして所定の増量値に制御することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、運転停止時に凍結防止のためにシステム内の純水を回収し、運転開始時に純水の循環を開始するようにしている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−２７３７０５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池システムの純水は、燃料電池の発電量が少なく、ガスの供給量も少ないアイドル運転時には、循環量も少ない。
【０００４】
したがって、システムの起動時に、循環する純水をアイドル流量等、少ない流量で起動していたために、純水系の配管内、構成部品内のエアの抜けが十分でなく、エアの溜まりが発生する恐れがあった。
【０００５】
エアが発電中の燃料電池に侵入したのでは、燃料電池に影響を及ぼしかねない。
【０００６】
この発明は、燃料電池システムの起動時に純水系のエアを的確に排除して、このような問題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池に純水を純水ポンプを介して循環する循環経路を有しており、燃料電池システムの停止時には、空気圧を導入して、燃料電池内の純水、並びに循環経路内の純水、並びに循環経路の構成部品内の純水を、純水タンクに回収する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転状態に応じて循環する純水の流量を制御する循環水量制御手段を備える。循環水量制御手段は、燃料電池システムの起動時には、純水の流量をアイドル運転時の純水の流量よりも増量制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池、循環径路、循環径路の構成部品内に純水を的確に充填でき、循環径路、循環径路の構成部品内等にエア溜まりを発生させることはない。したがって、発電中の燃料電池にエアが混入して、燃料電池に悪影響あるいは損傷を与えることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は燃料電池システムの純水系システムの構成を表す。
【００１１】
図１において、１は燃料電池（燃料電池の単セルを所定数組み付けてスタックを構成している）、２は純水を貯蔵する純水タンク、３は純水を循環させる循環経路の供給側通路、４はその戻り側通路である。
【００１２】
供給側通路３の入口部は、純水タンク２の底部に配置している。
【００１３】
供給側通路３の途中には、純水タンク２の近傍に純水ポンプ５を、その下流に異物を取り除く異物フィルタ６と、純水の導電性を改善するためのイオンフィルタ７とを設置している。
【００１４】
供給側通路３の出口部は、燃料電池１の内部に設けた純水流路の入口に接続している。
【００１５】
戻り側通路４の入口部は、燃料電池１の内部に設けた純水流路の出口に接続している。
【００１６】
戻り側通路４の出口部は、純水タンク２に配置している。
【００１７】
燃料電池１の内部の純水流路には、水素ガス、空気（酸化剤ガス）の加湿用、ならびに燃料電池１の冷却用に純水を導入、循環するようになっている。
【００１８】
一方、純水タンク２には、タンク２内にエアバルブ８を介して高圧空気を導入して、内圧を高めて、純水ポンプ５に呼び水を送るための空気導入ライン１０を配設している。純水ポンプ５と異物フィルタ６との間の供給側通路３は、純水ポンプ５に呼び水をするときに、純水ポンプ５の下流を開放するための呼び水バルブ１１に連結している。
【００１９】
戻り側通路４の途中には、戻り側通路４、燃料電池１、供給側通路３、イオンフィルタ７、異物フィルタ６、純水ポンプ５の各内の純水のパージをするために、戻り側通路４にパージバルブ１２を介して高圧空気を導入するパージ用空気導入ライン１３を接続している。パージ用空気導入ライン１３の接続部の直下流の戻り側通路４には、通路４を遮断するための遮断バルブ１４を設けている。
【００２０】
空気導入ライン１０、パージ用空気導入ライン１３には、図示しないコンプレッサあるいはエアータンクよりそれぞれ所定の高圧空気を送るようにしている。
【００２１】
なお、戻り側通路４、燃料電池１、供給側通路３、イオンフィルタ７、異物フィルタ６、純水ポンプ５の各内の純水を的確にパージするため、純水タンク２は、純水系の最下方位置に配置している。また、燃料電池１、イオンフィルタ７、異物フィルタ６、純水ポンプ５の順に高位に配置すると共に、純水ポンプ５は純水タンク２の満水時の水位より高位に配置している。
【００２２】
図中２０は、純水ポンプ５、各バルブ８、１１、１２、１４を制御するためのコントローラである。
【００２３】
燃料電池システムの通常運転時は、コントローラ２０は、エアバルブ８、呼び水バルブ１１、パージバルブ１２は閉じ、遮断バルブ１４は開き、純水ポンプ５を駆動して、純水を循環させる。
【００２４】
純水は、純水タンク２→純水ポンプ５→異物フィルタ６→イオンフィルタ７→燃料電池１→遮断バルブ１４→純水タンク２を循環する。
【００２５】
燃料電池１の出力等によって、必要とされる純水量を純水ポンプ５の出力を変えることで調整する。
【００２６】
次に、燃料電池システムの停止時のコントローラ２０の制御内容を図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２７】
燃料電池システムの停止時には、凍結対応等のために、燃料電池１内の純水と循環経路および各構成部品（イオンフィルタ７、異物フィルタ６、純水ポンプ５）内の純水を純水タンク２へと戻す必要がある。
【００２８】
ステップＳ１、Ｓ２では、純水ポンプ５を停止した後に、純水径路（循環経路）の戻り側通路４の遮断バルブ１４を閉じ、パージ用空気導入ライン１３のパージバルブ１２を開く。
【００２９】
ステップＳ３では、時間計測を開始する。
【００３０】
パージバルブ１２を開き、パージ用空気導入ライン１３から戻り側通路４に所定の高圧空気を導入すると、その空気圧により、パージ用空気導入ライン１３の空気導入位置から上流側の戻り側通路４の純水を遮断バルブ１４とは反対方向へと押し出し始め、このため純水は、燃料電池１、供給側通路３を通って、純水タンク２へと流される。
【００３１】
ステップＳ４では、所定時間Ｅ（純水系の水パージに要する時間）が経過したかを見る。
【００３２】
ステップＳ５、Ｓ６では、所定時間Ｅが経過すると、遮断バルブ１４を開け、パージバルブ１２を閉じる。
【００３３】
このため、遮断バルブ１４の下流の純水も純水タンク２へ流れ、純水系のほとんどの純水を純水タンク２に回収した状態となる。
【００３４】
したがって、周囲温度が氷点下以下となった場合においても、燃料電池１、循環経路、各構成部品が凍結することはない。
【００３５】
次に、燃料電池システムの起動時のコントローラ２０の制御内容を図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００３６】
ステップＳ１１では、空気導入ライン１０のエアバルブ８を開き、純水タンク２内に所定高圧空気を導入する。
【００３７】
ステップＳ１２、Ｓ１３では、純水径路（循環経路）の戻り側通路４の遮断バルブ１４を閉じ、呼び水バルブ１１を開く。
【００３８】
純水ポンプ５内部は、燃料電池システム停止時に純水を抜いているため、純水ポンプ５を起動させるために、呼び水を送る必要があり、空気導入ライン１０のエアバルブ８を開き、純水タンク２内に所定高圧空気を導入して、純水タンク２の内圧を上昇させる。呼び水バルブ１１を開くことで、純水ポンプ５下流をほぼ大気圧にして、遮断バルブ１４を閉じることで、純水タンク２の内圧の上昇によって、純水タンク２内の純水を純水ポンプ５に送り、純水ポンプ５の呼び水を完了する。
【００３９】
ステップＳ１４では、呼び水が完了した後、純水ポンプ５を起動させる。
【００４０】
この場合、純水ポンプ５の吐出流量つまり純水系を循環させる純水流量は、アイドル運転時の純水流量よりも高く、また純水系のエア抜きに必要な最小流量よりも高い設定流量Ａにするように、純水ポンプ５を制御する。
【００４１】
図４に純水系を循環させる純水流量の制御特性を示す。
【００４２】
燃料電池１に循環させる純水流量は、燃料電池１の出力に応じて変え、アイドルから定格まで、出力に比例した純水流量を循環させるように制御する。
【００４３】
純水系のエア抜きに必要な最小流量は、燃料電池１の純水流路、純水径路の配管径、長さ、純水径路の構成部品の容積、圧損等により決定する。
【００４４】
燃料電池システムの起動時の設定流量Ａは、エア抜きに必要な最小流量から定格流量の間に設定する。この場合、設定流量Ａは、可能な限り高くすることが望ましい。
【００４５】
図５には純水ポンプ５のＰ−Ｑ性能を示している。
【００４６】
本純水ポンプ５は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により流量を制御する。図中に示す細い実線は、等ＤＵＴＹ線であり、太い実線は本純水系の圧損を示している。実際に流れる純水量は、制御信号であるＤＵＴＹ値から決まる純水ポンプ５のＰ−Ｑ性能線と純水系システムの圧損との交点の値となる。
【００４７】
ステップＳ１５では、純水ポンプ５の起動開始に対して時間計測を開始する。
【００４８】
ステップＳ１６、Ｓ１７では、呼び水バルブ１１を閉じ、純水径路の戻り側通路４の遮断バルブ１４を開く。
【００４９】
ステップＳ１８では、純水ポンプ５の起動開始より所定時間Ｆ（純水系のエア抜きに要する時間）が経過したかを見る。
【００５０】
ステップＳ１９では、純水ポンプ５の起動開始より所定時間Ｆが経過した場合、循環させる純水流量をアイドル運転時の純水流量に戻す。
【００５１】
この起動時の処理を終えた以降は、燃料電池システムの発電要求に応じて、ガス（水素ガス、空気）圧との所定差圧を保ちながら、純水流量をアイドル流量から定格流量に制御する。
【００５２】
このように、燃料電池システムの起動時に、純水循環を開始する際は、設定流量Ａで純水を循環させる。この設定流量Ａは、アイドル流量およびエア抜きに必要な最小流量より高いので、燃料電池１、循環径路の配管、および、循環径路の構成部品内に純水を的確に充填でき、循環径路の配管、および、循環径路の構成部品内等にエア溜まりを発生させることはない。
【００５３】
したがって、発電中の燃料電池１にエアが混入して、燃料電池１の反応膜間に設置された複数の並列純水流路に純水がとどまることはなく、燃料電池１の発電に悪影響あるいは損傷を与えることが無くなる。
【００５４】
図６、図７は、第２の実施形態を示す。
【００５５】
これは、純水径路（循環経路）の戻り側通路４に燃料電池１の出口の純水の圧力を検出する圧力センサ３０を設けて、純水系のエア抜きを制御するものである。
【００５６】
燃料電池システムの起動時に、図７のように、ステップＳ２１では、空気導入ライン１０のエアバルブ８を開き、純水タンク２内に所定高圧空気を導入する。
【００５７】
ステップＳ２２、Ｓ２３では、純水径路（循環経路）の戻り側通路４の遮断バルブ１４を閉じ、呼び水バルブ１１を開く。
【００５８】
ステップＳ２４では、呼び水が完了した後、純水ポンプ５を起動させる。
【００５９】
純水ポンプ５の吐出流量つまり純水系を循環させる純水流量は、アイドル運転時の純水流量よりも高く、また純水系のエア抜きに必要な最小流量よりも高い設定流量Ａ（図４、図５参照）にするように、純水ポンプ５を制御する。
【００６０】
ステップＳ２５、Ｓ２６では、呼び水バルブ１１を閉じ、純水径路の戻り側通路４の遮断バルブ１４を開く。
【００６１】
ステップＳ２７では、圧力センサ３０の検出圧力を所定圧力Ｄと比較する。
【００６２】
燃料電池１の出口の圧力センサ３０の検出圧は、戻り側通路４の配管径や長さ等で決まる圧力センサ３０の下流の圧損と純水流量の関係で決まる。そのため、燃料電池１の下流が純水で満たされた際の設定流量Ａでの圧力センサ３０の下流の圧損を基に所定圧力Ｄを設定しておけば、圧力センサ３０の検出圧力が所定圧力Ｄを越えたときに、純水系が純水で満たされたとの判断が可能となる。
【００６３】
ステップＳ２８では、圧力センサ３０の検出圧力が所定圧力Ｄを越えた場合、循環させる純水流量をアイドル運転時の純水流量に戻す。
【００６４】
このようにすれば、燃料電池１、循環径路の配管、および、循環径路の構成部品内に純水を的確に充填でき、循環径路の配管、および、循環径路の構成部品内のエア溜まりの発生を適切に回避できる。
【００６５】
図８は、第３の実施形態を示す。
【００６６】
これは、純水系に純水を充填する際の流量を段階的に制御するものである。
【００６７】
燃料電池システムの起動時に、図８のように、ステップＳ３１では、空気導入ライン１０のエアバルブ８を開き、純水タンク２内に所定高圧空気を導入する。
【００６８】
ステップＳ３２、Ｓ３３では、純水径路（循環経路）の戻り側通路４の遮断バルブ１４を閉じ、呼び水バルブ１１を開く。
【００６９】
ステップＳ３４では、呼び水が完了した後、純水ポンプ５を起動させる。
【００７０】
この場合、純水ポンプ５の吐出流量つまり純水系を循環させる純水流量は、高い設定流量Ｂ（図５の定格流量相当）にするように、純水ポンプ５を制御する。
【００７１】
ステップＳ３５は、時間計測を開始する。
【００７２】
ステップＳ３６、Ｓ３７では、呼び水バルブ１１を閉じ、純水径路の戻り側通路４の遮断バルブ１４を開く。
【００７３】
ステップＳ３８では、所定時間Ｇつまり設定流量Ｂでの純水の供給時間が経過したかを見る。
【００７４】
ステップＳ３９では、所定時間Ｇが経過した場合、循環させる純水流量を設定流量Ｂよりも少ない設定流量Ｃ（前記形態の設定流量Ａ相当）に制御する。
【００７５】
ステップＳ４０では、所定時間Ｈつまり設定流量Ｃでの純水の供給時間が経過したかを見る。
【００７６】
ステップＳ４１では、所定時間Ｈが経過した場合、循環させる純水流量をアイドル運転時の純水流量に戻す。
【００７７】
燃料電池システムの起動時に、始めは大きな流量の設定流量Ｂで純水を流す。
【００７８】
燃料電池１の上流の循環径路に２つのフィルタ６、７を設置しており、したがって、大きな流量の設定流量Ｂで純水を流すことで、この両フィルタ６、７に純水を速やかに充填できる。設定流量Ｂでの純水の供給は、所定時間Ｇで終えるので、燃料電池１に純水が至って燃料電池１内の純水圧を極端に上昇させることがない。
【００７９】
設定流量Ｂでの純水の供給を終えると、次は流量を減少した設定流量Ｃで純水を流す。
【００８０】
したがって、燃料電池１、循環径路の戻り側通路４に純水を的確に充填できる。
【００８１】
この後、所定時間Ｈが経過すると、アイドル運転時の純水流量に戻す（第２の実施形態のように圧力センサ３０の検出圧力を基に制御しても良い）。
【００８２】
この設定流量Ｂ、設定流量Ｃの関係は、
設定流量Ｂ＞設定流量Ｃ
燃料電池１のガス圧との差圧制御が成立する最大流量
≧設定流量Ｃ＞エア抜きに必要な最低流量
である。
【００８３】
このようにすれば、燃料電池１、循環径路の配管、および、循環径路の構成部品内に純水を一層的確に短時間で充填でき、特に、燃料電池１上流の循環径路の構成部品内のより適切なエア抜きを行える。したがって、燃料電池システムの起動を一層短時間で行える。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
車両用ならびに車両用以外の燃料電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】第１の実施形態の純水系システムの構成図である。
【図２】制御フローチャートである。
【図３】制御フローチャートである。
【図４】純水流量の制御特性図である。
【図５】純水ポンプのＰ−Ｑ性能特性図である。
【図６】第２の実施形態の純水系システムの構成図である。
【図７】制御フローチャートである。
【図８】第３の実施形態の制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１  燃料電池
２  純水タンク
３  供給側通路
４  戻り側通路
５  純水ポンプ
６  異物フィルタ
７  イオンフィルタ
８  エアバルブ
１０  空気導入ライン
１１  呼び水バルブ
１２  パージバルブ
１３  パージ用空気導入ライン
１４  遮断バルブ
２０  コントローラ
３０  圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005135825.tif 000007
【図６】
2005135825.tif 000008
【図７】
2005135825.tif 000009
【図８】
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